LUCAEA 2 CONETO NUMEIC - ANALOGIC. Generalităţi Convertorul numeric - analogic (CNA) este circuitul electronic care transformă o mărime de intrare numerică într-o mărime de ieşire analogică. Deoarece, din punct de vedere al realizabilităţii practice, sistemul de numeraţie binar este cel mai simplu şi comod, informaţia numerică de la intrarea circuitului este codificată în binar. Se poate considera că procesul de conversie numeric analogică a datelor urmează aceleaşi operaţii elementare, necesare pentru transformarea numărului din binar în zecimal. Astfel, se asociază cifrei o anumită valoare a unei mărimi electrice, care se sumează apoi ponderat, iar cifrelor li se asociază valoarea zero a acelei mărimi. La conversia numeric analogică, se preferă exprimarea fracţionară a informaţiei numerice şi ponderarea valorilor asociate lui se va face cu ajutorul factorilor de forma 2 k, unde k este rangul cifrei respective. Din această formă de exprimare a informaţiei numerice, se vede clar că o modalitate simplă de a realiza ponderarea cifrelor este folosirea unor reţele rezistive cu mai multe noduri, care au raport de divizare successiv ½. Forma reţelei depinde de natura mărimii analogice de ieşire, tensiune sau curent. Configuraţia de bază a unui CNA este dată în fig. 2.. După cum s-a definit procesul de conversie, principalele surse de erori sunt: - inegalitatea valorii mărimii atribuite cifrei ; - inexistenţa unei valori zero adevărate; - ponderarea valorii mărimilor care se sumează se realizează cu elemente reale, ce pot să difere de cele ideale. Interfaţa numerică de intrare transformă nivelele logice ale datelor numerice de intrare în semnale de comandă pentru comutatoarele analogice. Comutatoarele controlează curenţii aplicaţi reţelei de rezistenţe de precizie ce realizează ponderarea valorii numerice, pentru obţinerea valorii analogice. aloarea curenţilor care circulă prin reţea este dictată de valoarea rezistenţelor de precizie şi de tensiunea de referinţă. 2. Funcţionarea generală. Schema bloc Schema bloc a convertorului numeric analogic este prezentată în fig. 2.2. Mărimea de intrare numerică se introduce în blocul numeric prin precizarea celor 8 biţi ai cuvântului numeric: a a 2 a 3 a 8. Circuitul numeric memorează cuvântul numeric aplicat la intrarea sa, având o stare unică. Această stare este transferată şi afişată de către circuitul de afişare cu LED-uri, în cod zecimal (BCD) sau binar.
În funcţie de starea unică a blocului numeric care este activat de cuvântul numeric a a 2 a 3 a 8, blocul de comutare electronică realizează transferul mărimii numerice către partea analogică, comutând sau necomutând tensiunea de referinţă r la bornele reţelei rezistive 2. eţeaua de decodificare transformă starea celor 8 biţi într-un potenţial a cărui valoare se poate modifica doar dacă se modifică starea cuvântului numeric. Tensiunea unică aplicată de reţeaua de decodificare 2 la intrarea amplificatorului este amplificată şi transferată la ieşire sub forma mărimii analogice notată. Blocul de alimentare este realizat din sursele de tensiune continuă stabilizată necesare alimentării circuitelor din convertor. Sursa dublă de ± este necesară pentru alimentarea amplificatoarelor operaţionale de tip µa42, utilizate la realizarea amplificatorului de ieşire programabil. Sursa de este necesară pentru alimentarea circuitelor integrate TTL, tip CDB43 şi CDB44, folosite pentru realizarea blocului numeric şi de afişaj. Sursa de este utilizată pentru obţinerea referinţei fixe de tensiune, care este comutată de blocul comutator la amplificatorul programabil de ieşire, funcţie de starea unică a blocului numeric, dictată de cuvântul numeric de la intrare. Sursele,4, 2 şi -,2 sunt nivele logice necesare pentru realizarea comutatoarelor electronice care transferă sau nu referinţa de, reţelei de decodificare 2. Tensiunea de referinţă trebuie să aibă un coeficient de stabilizare superior, astfel încât eroarea datorată tensiunii de alimentare a reţelei 2 să fie neglijabilă în raport cu eroarea convertorului, egală cu ± LSB / 2. Pentru convertorul de 8 biţi, eroarea maximă admisă este a : a max a max a = ± = ± = ± = ±, 2 8 2 2 2 2 2. Funcţionarea pe blocuri Blocul numeric I reunit cu blocul de afişare a stării biţilor de la intrare II, cu blocul de comutare III şi cu reţeaua de decodificare 2 realizează ansamblul Bloc Numeric General (BNG) din schema bloc, amplasat în blocul NUMEIC pe panoul aparatului. Blocul numeric I este alcătuit din: - intrările de comandă externă paralel / serie; - numărător binar de 8 biţi; - generator intern de tact pentru controlul funcţionării şi pentru simularea unor comenzi externe; - ansamblul de comutatori K, K 2, K 3, K 4 cu următoarele funcţii:. comutatorul K, notat pe panou ESET realizează aducerea forţată în starea logică a ieşirilor numărătorului de 8 biţi, când se doreşte acest lucru sau la trecerea de pe comandă serie pe 2
comandă paralel. Forţarea în starea logică a ieşirilor este realizată prin punerea intrărilor de resetare ale numărătoarelor CDB43 (intrările 2 şi 3) la nivel logic ; 2. comutatorul K 2, notat pe panou INTAE NUMEICA SEIE realizează, prin secţiunile sale comutatoare, cuplarea la intrarea numărătorului a intrării numerice externe serie, tactul intern fiind anulat; 3. comutatorul K 3, notat pe panou TACT INTEN realizează cuplarea la intrarea numărătorului a tactului intern de frecvenţă Hz; 4. comutatorul K 4, notat pe panou TACT INTEN are aceeaşi funcţie ca şi comutatorul K 3, numai că schimbă frevenţa tactului la, Hz, pentru a putea controla mai bine numărarea impulsurilor. În cazul stabilizării intrărilor de comandă paralel situate pe comutatorul de pe panou, cei biţi pot fi aduşi în starea logică sau, funcţie de comanda externă. Contactele comutatorului sunt astfel dispuse încât, în mod normal, cei 8 biţi sunt în starea logică numai dacă, nici unul din comutatoarele K 2, K 3, K 4 destinate comenzii serie, nu este acţionat. Aducerea în starea se face prin introducerea între lamelele comutatorului a unui izolator sau în cazul unei comenzi de la o altă ieşire numerică externă. Deci, se poate comanda extern paralel de la o ieşire numerică a unui alt aparat sau manual, pentru simulare sau controlul funcţionării. În cazul comenzii serie (cu tact intern sau extern) impulsurile sosesc la intrarea numărătorului în timp ce la ieşirile numărătorului se regăsesc impulsurile de perioadă 2, 2 2,, 2 8 ori mai mare decât cea de comandă. Numărătorul permite conversia unei comenzi serie în ieşire numerică paralel, constituind cei 8 biţi cu care se comandă reţeaua 2. Când se utilizează comenzi externe paralel, cei 8 biţi sunt daţi direct din exterior. Blocul de afişare a mărimii numerice II. Afişarea cuvântului numeric introdus în convertor se poate realiza fie cu un decodificator şi afişaj numeric, fie cu afişare pe fiecare bit. S-a ales soluţia cu control optic pe fiecare bit. Etajele realizate cu tranzistoarele T, T,, T comandă elementele de afişaj optic L, L 2,, L 8 funcţie de starea bitului de la intrare. Astfel, fie etajul cu T : dacă bitul 8 este în starea logic, etajul inversor integrat comandă baza tranzistorului la potenţialul logic, adică T este blocat şi LED-ul L 8 nu se aprinde. Când bitul 8 se află în starea logică, tranzistorul T comandă aprinderea LED-ului L 8 care indică starea logică pentru bitul corespunzător. Etajele inversoare separă circuitul de afişare pentru a a nu perturba nivelele logice ale celor 8 biţi de comandă. Cele 8 elemente de afişare sunt situate pe panou în dreptul celor 8 intrări de comandă paralel. Blocul de comutare electronică III Este alcătuit din 8 etaje comutatoare, care realizează comutarea braţelor reţelei 2 la tensiunea de referinţă de, funcţie de starea biţilor. Un astfel de etaj are schema de principiu şi diagramele de funcţionare prezentate în fig. 2.3. Când bitul de intrare se află în starea logică, tranzistorul T este saturat, încât tensiunea de aproximativ, de pe colectorul său blochează comutatorul T şi saturează tranzistorul T, încât potenţialul este cel al masei. În starea logică, bitul comandă ieşirea în starea. 3
Conexiunea T T se numeşte montaj repetor pe emitor cu supracomandă. În aceast circuit tranzistoarele funcţionează în conexiune inversată şi factorul de câştig invers în curent este de valoare apropiată de unitate (α ) = α F =,, ceea ce determină tensiuni de saturaţie foarte mici. kt = ln =, q α CEsati 2 F m Acesta este un avantaj evident, deoarece tensiunile de saturaţie intervin asupra referinţei. Cu cât sunt mai mici, cu atât alterarea referinţei este mai puţin simţită şi eroarea mărimii analogice este mai mică. Ideal ar fi ca tensiunile de saturaţie, ce constituie tensiuni parazite pentru semnalul util, să fie nule. Tensiunea de comandă i a repetorului cu supracomandă variază astfel încât să se asigure blocarea şi saturarea sigură a tranzistoarelor pnp şi npn, luând valori peste limitele tesiunii dintre colector şi masă. eferinţa de tensiune are valoarea de şi este realizată cu factor de stabilizare mare. Pentru obţinerea acestui factor de stabilizare, tensiunea de se obţine din altă tensiune stabilizată, de valoare,2. Alături de precizia referinţei, se impune şi precizia rezistoarelor reţelei 2. Blocul amplificator de ieşire programabil conţine două amplificatoare operaţionale conectate astfel încât, tensiunea de ieşire din reţeaua 2 să fie adusă la nivelul şi polaritatea dorite. Schema acestui bloc este prezentată în fig. 2.4. Primul etaj este un amplificator neinversor. Semnalul de pe reţeaua 2 este aplicat direct pe intrarea neinversoare. ezistenţa de ieşire a reţelei 2 este de kω. Pentru reducerea la minim a erorilor, se prevede un reglaj de compensare a decalajelor între valoarea reală şi cea rezultată din calcul, realizat de potenţialul negativ sau pozitiv aplicat pe intrarea inversoare, prin 3 şi 4, notat c (potenţial de corecţie). Bucla de reacţie negativă realizată cu, şi 4 poate fi reglată atfel încât, pentru o rezistenţă de reacţie egală cu să se realizeze o amplificare dublă faţă de cazul când rezistenţa de reacţie este numai ( este şuntată). Aplicând legile lui Kirchhoff, rezultă următoarele relaţii: i i c = 4 ( ) ( ) i = 4 i 4
4 = cu i <, >. 4 i c 4 Se observă că, pentru un potenţial de corecţie de aceeaşi polaritate ca şi i, odată cu creşterea acestuia, scade tensiunea de ieşire şi invers. Următorul etaj de amplificare se conectează de la ieşirea celui preceent, funcţie de polaritatea şi nivelul dorit al tensiunii analogice, prin comutatoarele K, K, K, K 8, care programează de fapt amplificatorul. a) Pentru tensiuni de ieşire a pozitive (fig. 2.), amplificatorul I este în conexiune inversoare. Deoarece nivelul maxim de tensiune se realizează în amplificatorul pecedent, acest amplificator va trebui să aibă amplificarea egală cu în modul. Deci: A I a = = deoarece <, a = - A I > b) Pentru tensiuni de ieşire a negative (fig. 2.), amplificatorul I este în conexiune neinversoare, cu amplificare unitară. Tensiunea de ieşire este: a = 4 masa Deoarece (4-masa) este foarte mare (o considerăm practic ), rezultă a =. c) Pentru tensiuni de ieşire de ambele polarităţi, cu variaţie simetrică faţă de origine, în cadranele I şi III (fig. 2.) trebuie să se decaleze a cu jumătate din valoarea maximă a max, în sensul descreşterii, astfel încât să se obţină variaţia de tensiune analogică dorită. Pentru a obţine decalajul, în monajul inversor de la punctul a), se suprapune la intrarea inversoare un curent I preluat de la altă referinţă (fig. 2.8). Din ecuaţiile de funcţionare rezultă: I I I ; 2 = I a i = ; I i = ; I 2 i = ; a i i i = = ( ) ( ) a i
a = i Cum =, rezultă: a = i 2 Deci, pentru ca a să fie diminuată cu jumătate din valoarea maximă, este necesar ca să trimită un curent I în nodul b, de sens contrar celui trimis de, deci este de sens contrar lui. ezultă că, < şi >. Astfel, tensiunea de ieşire are variaţii în cele două cadrane, I şi III. Blocul comutator de programare a tensiunii de ieşire analogice I este format din comutatoarele K, K, K, K 8, ce realizează următoarele funcţii: - comutatorul K conectează amplificatorul I în conexiune inversoare, comutând nodurile a cu b şi c cu d; - comutatorul K realizează conexiunea neinversoare pentru a <, comutând nodul a cu c; - comutatorul K realizează conexiunea amplificator bipolar, comutând nodurile a cu b şi c cu d şi a cu c; - comutatorul K 8 modifică gama de tensiune în domeniul.., şuntând o parte din rezistenţa de reacţie a amplificatorului I ( ) şi din rezistenţa care se află pe ramura ce debitează I ( ). Blocul de alimentare II asigură tensiunile de alimentare şi nivelele logice. = / 2 ma şi 2 = - / 2 ma, pentru alimentarea amplificatorului; 3 = / 2 ma, pentru alimentarea circuitului numeric; 4 = - / ma, tensiune de referinţă pentru mărimea analogică; =, / ma, nivelul pozitiv de tensiune de supracomandă pentru comutatorul tip repetor cu supracomandă; = 2, / 3 ma, pentru circuitul de afişare a mărimi numerice; = -,2 / 4 ma, necesară ca nivel negativ pentru supracomanda etajului comutator şi pentru alimentarea cicuitului de afişare. S-au folosit etaje stabilizatoare cu element de control serie, iar pentru sursele 3 şi 4 au fost prevăzute amplificatoare de eroare. 3. Modul de utilizare CNA poate funcţiona cu două tipuri de intrări numerice: a) Funcţionarea cu intrare numerică tip paralel. Mărimea de intrare se introduce prin comanda celor 8 biţi (bitul MSB, bitul 8 LSB), conectaţi la conectorul de pe panou;
- comanda tip paralel externă (cu o ieşire numerică de la alt aparat) se realizează prin introduceea în conector a unei plăci de cablaj cu contactele în poziţia superioară, deoarece intrările sunt conectate la bornele superioare ale conectorului; - comanda manuală se realizează cu ajutorul unei lame izolatoare. Dacă se acţionează un contact al conectorului de pe panou, introducând izolatorul între cele două lamele, atunci bitul corespunzător trece în starea logică. Dacă aceste contacte nu sunt acţionate, biţii respectivi sunt în logic; b) Funcţionarea cu intrare numerică tip serie. Mărimea de intrare numerică se introduce bit cu bit printr-un contact al conectorului de pe panou, separat de cele 8 contacte pentru biţii intrării tip paralel; - comanda serie externă se realizează cu impulsuri provenite de la ieşirea numerică a altui aparat, care are acces la intrarea serie prin acţionarea comutatorului K 2 de pe panou. Se procedează în felul următor: se apasă tasta K 2 şi se menţine apăsată, se resetează numărătoarele prin apăsarea tastei K, apoi se permite accesul impulsurilor externe; - comanda de tip serie cu tact intern se realizează cu impulsuri de frecvenţă mai mare, Hz, sau prin impulsuri de frecvenţă mai mică,, Hz, prin acţionarea tastei TACT INTEN corespunzătoare frecvenţei alese. Anularea biţilor la un moment dat se face prin acţionarea tastei ESET, K. Oprirea biţilor pe o anumită stare se obţine menţinând tasta K 2 acţionată şi oprind accesul impulsurilor din exterior sau de la generatorul de tact intern. Mărimea analogică a se poate programa la polarităţile dorite cu ajutorul comutatoarelor notate a <, a > şi bipolar. Gama de tensiune poate fi aleasă fie la, fie la. 4. Determinări experimentale. Se identifică montajul şi se explică modul de funcţionare al convertorului pentru modurile de lucru posibile (intrare paralel externă şi manuală, intrare serie externă şi cu tact intern). 2. Folosind un generator de impulsuri dreptunghiulare, se intră pe intrarea serie cu o frecvenţă de aproximativ khz şi se vizualizează forma de undă de la ieşire. Se explică forma de undă pentru situaţiile a <, a > şi bipolar. 3. Se verifică funcţionarea cu tact intern oscilografiind forma de undă de la ieşire. 4. Se trece la funcţionarea cu intrare paralel manual, introducându-se la început codul binar. Se măsoară cu un voltmetru de precizie valoarea tensiunii de la ieşire pentru a <, a > şi bipolar.. Se introduce manual combinaţia binară şi se măsoară cu precizie valoarea tensiunii de ieşire pentru a <, a > şi bipolar. Se determină valoarea variaţiei tensiunii de ieşire a pentru o variaţie de bit la intrare.. Se verifică pentru mai multe valori binare ce exprimă un anumit număr (N) dacă tensiunea de ieşire este de forma a = N. a.. Aparatura necesară. Convertor numeric analogic 2. oltmetru de tensiune continuă, de precizie 3. Osciloscop 4. Generator de impulsuri dreptunghiulare (TTL). Accesorii (cabluri de legatură, sonde, etc.)
8